抗壞血酸與水的相互作用研究

馬慧婷,孫 芳,彭 鵬,武聰聰,柴 云,翟翠萍

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南省廢棄物資源能源化工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004)

抗壞血酸與水的相互作用研究

馬慧婷,孫 芳,彭 鵬,武聰聰,柴 云*,翟翠萍*

(河南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，河南省廢棄物資源能源化工程技術(shù)研究中心，河南 開封 475004)

使用紫外-可見分光光度法和電化學(xué)循環(huán)伏安法，研究了抗壞血酸與水之間的相互作用.結(jié)果表明：抗壞血酸羰基上的氧原子及烯二醇上的氫原子與水之間可形成氫鍵.相互作用的結(jié)果使抗壞血酸電氧化反應(yīng)變得困難，同時(shí)，抗壞血酸的紫外-可見吸收光譜發(fā)生藍(lán)移.此外，溶液的pH對(duì)抗壞血酸的電氧化行為也有一定的影響.

抗壞血酸；水；紫外-可見；循環(huán)伏安法；相互作用

抗壞血酸(AA)，又稱維生素C，是人體必不可少的維生素之一，嚴(yán)重缺乏時(shí)會(huì)引起壞血病，甚至死亡.作為一種生物活性物質(zhì)，AA的各種性能一直是人們研究的熱點(diǎn).如AA在溶劑中的溶解性[1]、抗氧化性[2]、降解能力[3]、電化學(xué)性能[4-5]等.近年來，隨著分析技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，人們對(duì)AA與化合物的相互作用進(jìn)行了廣泛的研究.如AA與甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸在水溶液中存在強(qiáng)的相互作用[6]；NIAZAZARI等[7]通過紅外、拉曼和量化計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)：DMSO分子中S=O上的氧原子可與AA烯二醇上的氫原子形成氫鍵，且形成了1∶1的復(fù)合物；KAZOYAN等[8]也通過熱力學(xué)性質(zhì)的測(cè)量發(fā)現(xiàn)AA與DMSO分子間存在氫鍵作用；實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算結(jié)果證明AA與甲基乙二醛之間也存在氫鍵作用[9-10].此外，研究還發(fā)現(xiàn)AA與BSA之間存在親水作用[11]；通過分子間相互作用，AA還可與環(huán)糊精形成復(fù)合物[12]，與DNA則形成非電活性結(jié)合物[13].

在AA的各種研究中，通常用水做溶劑，同時(shí)，AA在生物體內(nèi)參與的許多生理過程也是在水溶液中進(jìn)行的.因此，研究AA與水的相互作用十分重要.如DHONDGE等[14]測(cè)定了不同溫度下AA-水、抗壞血酸鈉-水混合體系的密度、粘度、聲速和折光率等，通過這些物化性質(zhì)隨溶液濃度的變化及相關(guān)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在所研究的兩個(gè)混合體系中均存在較強(qiáng)的溶質(zhì)-溶劑相互作用，且隨著溫度升高，作用強(qiáng)度加大，但是作者未對(duì)兩者間的相互作用進(jìn)行進(jìn)一步的研究；SHUKLA等[15]研究發(fā)現(xiàn)抗壞血酸的紫外最大吸收波長(zhǎng)隨其濃度和溶液pH的變化而變化，同時(shí)發(fā)現(xiàn)在水溶液中，抗壞血酸容易氧化成脫氫抗壞血酸，遺憾的是該文未對(duì)抗壞血酸和水之間的相互作用進(jìn)行探討；ALDAZ課題組[16]使用極譜法結(jié)合Tafel曲線研究了酸性或堿性環(huán)境中，抗壞血酸在滴汞電極和金電極上的氧化還原機(jī)理，并得到兩種不同的機(jī)理：在pH≤9時(shí)，不管AA中的烯二醇羥基是否發(fā)生電離形成抗壞血酸負(fù)離子(AH-)，其電氧化產(chǎn)物均為脫氫抗壞血酸；在pH>10時(shí)，抗壞血酸不穩(wěn)定，且氧化產(chǎn)物為2,3-二酮古樂糖酸；DIMITROVA等[17]使用密度泛函理論對(duì)AA和水之間的相互作用進(jìn)行了研究.結(jié)果表明：AA分子中4個(gè)羥基上的氫原子以及羰基上的氧原子都可與水分子中的氧原子或氫原子形成氫鍵.對(duì)于AA和水之間具體的作用類型及作用位點(diǎn)，有待從實(shí)驗(yàn)的角度進(jìn)行進(jìn)一步的研究.本文中，我們使用紫外-可見吸收光譜和電化學(xué)循環(huán)伏安法對(duì)AA與水之間的相互作用進(jìn)行了研究.同時(shí)，進(jìn)一步探討溶液pH對(duì)AA電氧化行為的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

抗壞血酸(BR)、檸檬酸、磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉和氯化鈉等為分析純，均購(gòu)自阿拉丁公司；二次蒸餾水(實(shí)驗(yàn)室重蒸).

采用逐步稀釋法配制溶液.由于AA極易被氧化，因此，在配制溶液前，二次蒸餾水和具有不同pH的緩沖溶液均用高純氮?dú)獬?5 min，以去除底液中的溶解氧.

UV-540紫外-可見分光光度計(jì)(Thermo Electron，美國(guó))；PHS-3E 酸度計(jì)(上海雷磁儀器廠，中國(guó))；CHI660E電化學(xué)工作站(上海辰華有限公司，中國(guó)).電化學(xué)測(cè)試為三電極系統(tǒng)：工作電極為玻碳電極(GCE)，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，對(duì)電極為鉑絲電極.實(shí)驗(yàn)溫度為室溫.

2 結(jié)果和討論

紫外-可見吸收光譜具有簡(jiǎn)便、快速的優(yōu)點(diǎn)，在研究溶液中復(fù)合物的形成及結(jié)構(gòu)變化方面有著廣泛的應(yīng)用.本文中，我們測(cè)試了不同濃度(≤2×10-4mol/L，此時(shí)溶液中AA均以分子形式存在[18])的AA在水溶液中的紫外-可見吸收光譜(圖1).由圖1可以看出，AA在265.6 nm處有一吸收峰，此峰為AA中C=C的π-π*躍遷吸收峰[19]，且隨著AA濃度的增加，該吸收峰的強(qiáng)度逐漸增大.同時(shí)，隨著AA濃度的增加，吸收峰發(fā)生藍(lán)移.這可能是由于AA的羰基以及烯二醇上的羥基都能與水形成氫鍵[17]，降低了羰基以及羥基上氧原子與C=C的共軛程度，使π-π*躍遷能量升高所致.

Concentration of AA (from bottom to top,10-5 mol/L) is 3.95,5.25,7.90,10.5,15.8,21.0.圖1 AA/H2O體系的紫外-可見吸收光譜Fig.1 UV-vis spectra of AA/H2O system

AA作為一種生物電活性物質(zhì)極易發(fā)生氧化，有關(guān)AA的氧化還原機(jī)理已有許多報(bào)道[16,20].本文中，我們首先測(cè)定了不同濃度的抗壞血酸在水溶液中的循環(huán)伏安曲線(圖2).與文獻(xiàn)[16]所不同的是，AA的氧化峰電位隨其濃度的增大而正移，說明AA的氧化變得更加困難.結(jié)合紫外及文獻(xiàn)[17]的理論計(jì)算結(jié)果，我們認(rèn)為：AA烯二醇羥基上的氫原子和水的氧原子之間形成了氫鍵，氫鍵的形成對(duì)烯二醇羥基具有保護(hù)作用，使其難以失去氫原子而發(fā)生氧化；同時(shí)，羰基的氧原子與水的氫原子形成氫鍵，致使羰基對(duì)烯二醇羥基的吸電子能力減弱，使羥基上的氧原子與氫原子之間的電子云密度增加，也導(dǎo)致氫原子難以離去，即難于發(fā)生氧化.因此，隨濃度的增大，AA的氧化電位正移.上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了抗壞血酸與水之間氫鍵作用的存在.

Concentration of AA (from top to bottom,10-4 mol/L) is 0.375,0.75,1.5,3.0,6.0,12.0,24.0; Scan rate,50 mV/s.圖2 AA/H2O體系的循環(huán)伏安曲線Fig.2 Cyclic voltammograms of AA/H2O system

作為一種模擬人體生理介質(zhì)，pH=7.40的PBS緩沖溶液經(jīng)常被用來探究物質(zhì)在人體內(nèi)的各種行為.本文中，我們對(duì)AA在pH=7.40的PBS緩沖溶液中的電化學(xué)行為進(jìn)行了研究(圖3).由圖3可以看出，AA在PBS中也僅呈現(xiàn)了一個(gè)氧化峰，且隨著濃度的增加，氧化峰電位正移.說明在PBS中，隨濃度增大，AA越難被氧化.因此，我們認(rèn)為，在pH=7.40的PBS緩沖溶液中，AA羰基上的氧原子及烯二醇羥基上的氫原子也可能與環(huán)境中的水或磷酸鹽形成了氫鍵，從而使其難以氧化.

Concentration of AA (from top to bottom,10-4 mol/L) is 0.375,0.75,1.5,3.0,6.0,12.0,24.0; Scan rate,50 mV/s.圖3 AA/PBS體系的循環(huán)伏安曲線Fig.3 Cyclic voltammograms of AA/PBS system

對(duì)比相同濃度的AA在水和pH=7.40的PBS緩沖溶液中的循環(huán)伏安曲線(圖4)，我們發(fā)現(xiàn)，AA在水中的電位比在PBS中的電位大，說明在pH=7.40的PBS緩沖溶液中，AA更容易氧化.結(jié)合AA的電氧化機(jī)理[16,20]可知，溶液的堿性增大，會(huì)使其電氧化反應(yīng)向右進(jìn)行，即有利于AA的電氧化過程.因此，AA在PBS中的氧化電位減小.

圖4 AA (2.0×10-4 mol/L)在水溶液和PBS緩沖溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig.4 Cyclic voltammograms of AA (2.0×10-4 mol/L) in aqueous solution and PBS buffer solution

為了進(jìn)一步考察溶液pH對(duì)AA在水溶液中電氧化行為的影響，我們使用磷酸氫二鈉和檸檬酸配制了一系列具有不同pH的Mcllvaine緩沖溶液.本文中固定AA濃度，測(cè)試其在不同pH溶液中的循環(huán)伏安曲線，如圖5所示.從圖5可以看出，隨pH的增加，AA的氧化峰電位逐漸負(fù)移，而氧化峰電流呈現(xiàn)了先增加后減小的趨勢(shì)，即在pH=4.0時(shí)，氧化峰電流達(dá)到最大值，證明溶液pH對(duì)AA的電氧化行為有較大的影響，這與文獻(xiàn)[5,21-22]研究結(jié)果一致.氧化電流的變化可能與AA的pKa值有關(guān)：AA的pKa值約為4.2和11.6[23].隨pH增大，AA的氧化峰電位逐漸負(fù)移，進(jìn)一步證明了溶液堿性越強(qiáng)，越有利于AA電氧化反應(yīng)的進(jìn)行.這與我們前面探討的AA在水和PBS緩沖溶液中的結(jié)果以及AA的電氧化反應(yīng)機(jī)理一致.

From right to left,the pH is 2.2,3.0,4.0,5.0,6.0,7.0 and 8.0.圖5 AA(2×10-4 mol/L)在不同pH溶液中的循環(huán)伏安曲線Fig.5 Cyclic voltammograms of AA in solution with different pH

對(duì)圖2中所測(cè)試體系進(jìn)行了pH測(cè)試，發(fā)現(xiàn)抗壞血酸水溶液的pH隨溶液濃度的增加而降低，如圖6(A)所示，進(jìn)一步對(duì)圖2及圖5中，抗壞血酸氧化電位隨溶液pH的變化進(jìn)行了比較(見圖6(B)).

圖6 (A)pH隨溶液濃度的變化(B)電位隨溶液pH的變化Fig.6 (A) Change of pH with the solution concentration; (B) Change of the potential with pH

從圖6(B)可以看出，隨著溶液pH的減小，抗壞血酸的氧化電位都增加，但是曲線a(圖2中不同濃度溶液的pH與電位的關(guān)系)的變化程度明顯大于曲線b(圖5中不同pH溶液中pH與電位的關(guān)系)中的變化.這可能是溶液濃度對(duì)抗壞血酸氧化電位的影響比溶液pH對(duì)其影響大，圖2中電位的改變主要是由于濃度改變，抗壞血酸與水的相互作用不同所致.

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了AA與水分子間存在氫鍵作用，此作用的存在導(dǎo)致AA的紫外-可見吸收光譜和電氧化行為發(fā)生改變.同時(shí)，隨溶液pH的增加，AA的電氧化反應(yīng)更容易進(jìn)行.這將為研究抗壞血酸與其他物質(zhì)的相互作用以及抗壞血酸的電化學(xué)檢測(cè)提供參考依據(jù).

[1] SHALMASHI A,ELIASSI A.Solubility ofL-(+)-ascorbic acid in water,ethanol,methanol,propan-2-ol,acetone,acetonitrile,ethyl acetate,and tetrahydrofuran from (293 to 323) K [J].Journal of Chemical & Engineering Data,2008,53(6):1332-1334.

[2] BRADSHAW M P,BARRIL C,CLARK A C,et al.Ascorbic acid:A review of its chemistry and reactivity in relation to a wine environment [J].Critical Reviews in Food Science and Nutrition,2011,51(6):479-498.

[3] MOCK A J,KANG J.Comment on degradation of ascorbic acid in ethanolic solutions [J].Journal of Agricultural and Food Chemistry,2013,61(10):2580-2582.

[4] 楊茂霞,蔣強(qiáng),李音卓,等.抗壞血酸在離子液體[BMIM]PF6修飾電極上的直接電化學(xué)[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,30(1):6-7.

YANG M X,JIANG Q,LI Y Z,et al.Direct electrochemistry of ascorbic acid on the [BMIM]PF6modified carbon paste electrode [J].Journal of Qingdao University of Science and Technology (Natural Science Edition),2009,30(1):6-7.

[5] 王朝霞,陳美鳳,馬心英． 石墨烯修飾玻碳電極用于循環(huán)伏安法測(cè)定抗壞血酸[J].理化檢驗(yàn)(化學(xué)分冊(cè)),2012,48(3):321-324.

WANG Z X,CHEN M F,MA X Y.Use of graphene modified glassy carbon electrode in cyclic voltammetric determination of ascorbic acid [J].Physical Testing and Chemical Analysis (Part B:Chemical Analysis),2012,48(3):321-324.

[6] BANIK I,ROY M N.Study of solute-solvent interaction of some bio-active solutes prevailing in aqueous ascorbic acid solution [J].Journal of Molecular Liquids,2012,169:8-14.

[7] NIAZAZARI N,ZATIKYAN A L,MARKARIAN S A.Ab initio and DFT study of hydrogen bond interactions between ascorbic acid and dimethylsulfoxide based on FT-IR and FT-Raman spectra [J].Spectrochimica Acta Part A,2013,110:217-225.

[8] KAZOYAN E A,TERZYAN A M,MARKARYAN S A.The thermodynamic properties of solutions ofL-ascorbic acid in dimethyl sulfoxide and water-dimethyl sulfoxide mixtures [J].Russ J Phys Chem,2011,85(4):612-616.

[9] BANERJEE D,KOLL A,FILAROWSKI A,et al.Interaction between methyl glyoxal and ascorbic acid:experimental and theoretical aspects [J].Spectrochim Acta Part A,2004,60(7):1523-1526.

[10] LI P,ZHAI Y Z,WANG W H,et al.Explorations of the nature of the coupling interactionsbetween vitamin C and methylglyoxal:a DFT study [J].Structural Chemistry,2011,22 (4):783-793.

[11] NAFISI S,SADEGHI G B,PANAH Y A.Interaction of aspirin and vitamin C with bovine serum albumin [J].Journal of Photochemistry and Photobiology B,2011,105(3):198-202.

[12] PALOMAR-PARDAVE M,ALARCON-NGELES G,RAMIREZ-SILVA M T,et al.Electrochemical and spectrophotometric determinationof the formation constants of the ascorbic acid-β-cyclodextrinand dopamine-β-cyclodextrin inclusion complexes [J].Journal of Inclusion Phenomena and Macrocyclic Chemistry,2011,69(1):91-99.

[13] 李靜,王振川,李景印,等.抗壞血酸與DNA相互作用的電化學(xué)研究[J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2006,18(7):863-865.

LI J,WANG Z C,LI J Y,et al.Electrochemical studies of the interaction between ascorbic acid and DNA [J].Chemical Research and Application,2006,18(7):863-865.

[14] DHONDGE S S,DHESHMUKH D W,PALIWAL L J,et al.The study of molecular interactions of ascorbic acid and sodium ascorbate with water at temperatures (278.15,288.15 and 298.15) K [J].The Journal of Chemical Thermodynamics,2013,67:217-226.

[15] SHUKLA M K,MISHRA P C.Electronic structures and spectra of two antioxidants:uric acid and ascorbic acid [J].Journal of Molecular Structure,1996,377(3):247-259.

[16] (a) RUIZ J J,ALDAZ A,DOMINGUEZ M.Mechanism ofL-ascorbic acid oxidation and dehydro-L-ascorbic acid reduction on a mercury electrode.I.Acid medium [J].Canadian Journal of Chemistry,1977,55(15):2799-2806； (b) RUIZ J J,ALDAZ A,DOMINGUEZ M.Mechanism ofL-ascorbic acid oxidation and dehydro-L-ascorbic acid reduction on a mercury electrode.II.Basic medium [J].Canadian Journal of Chemistry,1978,56:1533-1537； (c) RUEDA M,ALDAZ A,SANCHEZ BURGOS F.Oxidation ofL-ascorbic acid on a gold electrode [J].Electrochimica Acta,1978,23(5):419-424.

[17] DIMITROVA Y.Theoretical study of the changes in the vibrational characteristics arising from the hydrogen bonding between Vitamin C (L-ascorbic acid) and H2O [J].Spectrochimica Acta Part A,2006,63(2):427-437.

[18] 雷天乾,高琳,黨明安,等.抗壞血酸(維生素C)溶液紫外吸收光譜研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,1998,18(4):149-150.

LEI T Q,GAO L,DANG M A,et al.L-ascorbic acid (vitamin C) ultraviolet spectra study [J].Spectroscopy and Spectral Analysis,1998,18(4):149-150.

[19] OGATA Y,HOSUGI Y.Ultraviolet spectra ofL-ascorbic acid and cupric ascorbate complex [J].Tetrahedron,1970,126(20):4711-4716.

[20] MATSUI T,KITAGAWA Y,OKUMURA M,et al.Accurate standard hydrogen electrode potential and applications to the redox potentials of vitamin C and NAD/NADH [J].The Journal of Physical Chemistry A,2015,119(2):369-376.

[21] 劉彥培,張艷麗,楊應(yīng)彩,等.抗壞血酸在納米金/石墨烯復(fù)合物修飾電極上的電化學(xué)行為研究[J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,23(4):251-255.

LIU Y P,ZHANG Y L,YANG Y C,et al.Electrochemical behaviors of ascorbic acid at the Au nanoparticles/graphene modified glass carbon electrode [J].Journal of Yunnan Nationalities University (Natural Science Edition),2014,23(4):251-255.

[22] 任紅霞.氮雜環(huán)高分子化合物的合成及催化性能研究[D].蘭州:西北師范大學(xué),2004:64-109.

REN H X.Synthesis and catalytic properties of nitrogen heterocyclic polymers [D].Lanzhou:Northwest Normal University,2004:64-109.

[23] DU J,CULLEN J J,BUETTNER G R.Ascorbic acid:Chemistry,biology and the treatment of cancer [J].Biochimica et Biophysica Acta,2012,1826(2):443-457.

[責(zé)任編輯：吳文鵬]

Study on the interactions of ascorbic acid and water

MA Huiting,SUN Fang,PENG Peng,WU Congcong,CHAI Yun*,ZHAI Cuiping*

(HenanEngineeringResearchCenterofResource&EnergyRecoveryfromWaste,CollegeofChemistryandChemicalEngineering,HenanUniversity,Kaifeng475004,Henan,China)

The interactions of ascorbic acid and water were investigated using the UV-visible spectrophotometry and electrochemical cyclic voltammetry methods.The results indicated that the hydrogen bonding is formed between the carbonyl group of ascorbic acid or hydrogen of enediol,and water molecule,which results in a more difficult electrochemistry oxidation process of ascorbic acid and a hypsochromic shift in the UV-vis absorption spectra.In addition,the pH of the solution has certain influence on the electrooxidation behavior of ascorbic acid.

ascorbic acid； water； UV-vis； cyclic voltammetry； interaction

2016-09-20.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21603059),河南省教育廳基金項(xiàng)目(15A150042)和河南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(15NA003)資助.

馬慧婷(1991-)，女，碩士生，研究方向?yàn)榉肿娱g相互作用.*

,E-mail:chaiyun@henu.edu.cn.

O645.1

A

1008-1011(2017)01-0092-05